摘要:介紹了鈦納米涂料的性質(zhì)，防腐蝕和抗結(jié)垢機理，并對企業(yè)采用鈦納米涂料在磷酸尾氣風機葉輪上的使用效果進行了論述。

　　關(guān)鍵詞:風機葉輪;鈦納米聚合物;濕法磷酸;防腐;防垢

　　中圖分類號:TQ630．7 文獻標識碼:A 文章編號:1004-275X(2012)04-0054-04

　　在濕法磷酸生產(chǎn)中，除了大量使用非金屬材料外，使用最多的材料是316L等奧氏體不銹鋼。由于磷酸具有極強的腐蝕性，且含有F－、SO42－、Fe3+、Al3+、Mg2+等雜質(zhì)。除Fe3+外，其它雜質(zhì)均會加速不銹鋼的腐蝕，特別是F－及Cl－更為強烈。尾氣風機葉輪由于其特殊的工況，工作面既受到磷酸的腐蝕，又因其高速轉(zhuǎn)動受到尾氣的強烈沖刷。在腐蝕和沖刷磨蝕的雙重作用下，葉輪的使用壽命往往很短。再加上葉輪在制造過程中，會產(chǎn)生熱影響區(qū)，使奧氏體不銹鋼的晶間組織發(fā)生不同程度的變化，從而進一步降低了葉輪的抗腐蝕性。由于磷酸的強腐蝕性，適用于磷酸生產(chǎn)的不銹鋼品種不多。在904、316L和310S三種材質(zhì)中，最好的是904，其次是316L，最差的是310S。904價格昂貴，采購周期較長，所以用316L較為合適。但316L材質(zhì)的葉輪使用周期只有2到3個月，難以適應(yīng)磷酸生產(chǎn)長周期的要求。

　　如何減少葉輪的腐蝕與磨蝕，降低檢修費用，提高裝置運行率，成為磷酸生產(chǎn)企業(yè)急需解決的問題。

　　1·鈦納米聚合物涂料

　　1．1 鈦納米聚合物涂料簡介

　　金屬鈦具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和耐蝕性。但因價格高昂，阻礙了其應(yīng)用。如果加工成納米級金屬粉后加入涂料中，則既能加強涂層的耐磨耐蝕性，又能大大降低使用成本。

　　以工業(yè)鈦粉為原料，在制作過程中引入助粉碎劑、分散劑、保護劑及其它必要助劑，在特定的溫度和壓力下，在高效能粉碎機上進行機械化學(xué)反應(yīng)后即可完成鈦納米金屬粉的生產(chǎn)。然后在完全封閉的條件下應(yīng)用專利技術(shù)(中國專利號:ZL00209258．1)制備成鈦納米聚合物。實際上，就是把鈦基納米金屬粉彌散到高分子聚合物材料中，形成高分子納米復(fù)合材料，這就是鈦納米聚合物［1］。該聚合物具有下列效應(yīng)和特性［2］:

　　1) 表面效應(yīng)

　　鈦納米聚合物粒子的表面原子數(shù)與總原子數(shù)之比隨著粒子尺寸的減小而大幅度地增加，粒子的表面能及表面膜張力也隨之增加，從而引起粒子性質(zhì)的變化。粒子的表面原子所處的晶體場外環(huán)境及結(jié)合能與內(nèi)部原子有所不同，存在許多懸空鍵，并具有不飽和性質(zhì)，因而極易與其它原子相結(jié)合而趨于穩(wěn)定，具有很高的化學(xué)活性。

　　2) 小尺寸效應(yīng)

　　當超微顆粒尺寸不斷減小，在一定條件下，會引起材料宏觀物理性能和化學(xué)性質(zhì)上的變化，此即小尺寸效應(yīng)。因鈦納米粒子小于50nm，最小顆粒尺寸為10nm，甚至可能更小。從而引起了鈦納米聚合物在物理、化學(xué)性質(zhì)上產(chǎn)生變化。

　　3) 鈦納米聚合物特性

　　①小于可見光波的波長，失去鈦金屬原有的銀白色而變成黑色。

　　②鈦納米聚合物具有導(dǎo)電性，可用于防靜電材料。

　　③鈦納米粒子比傳統(tǒng)的粗晶鈦材硬得多，可制造耐磨材料。

　　④鈦納米聚合物由于微小納米粒子的填充作用，表面膜光滑度很高，近壁流層薄，不易結(jié)垢。

　　1．2 鈦納米聚合物涂料的防腐耐磨和抗垢機理

　　用鈦納米聚合物做活性填料和偶聯(lián)劑改性制成成品的涂料就是鈦納米聚合物涂料。其防腐蝕耐磨和抗垢機理如下:

　　1)分子間化學(xué)鍵合與化學(xué)吸附

　　鈦納米粒子的高活性懸空鍵以化學(xué)鍵合和化學(xué)吸附的形式與聚合物配位。同時將聚合物閉環(huán)打開，形成開環(huán)的羥基與醚鍵，進一步與樹脂進行化學(xué)鍵合與化學(xué)吸附，并形成新的活性開環(huán)與基材表面發(fā)生化學(xué)鍵合與化學(xué)吸附。這極大改善了填料與樹脂間以及樹脂分子之間的結(jié)合力，由普通涂料的物理結(jié)合轉(zhuǎn)變成化學(xué)鍵合與化學(xué)吸附。

　　2)抗?jié)B透耐腐蝕原理

　　第一，鈦納米聚合物涂料與樹脂分子之間以化學(xué)鍵合與化學(xué)吸附相結(jié)合，致密性高，結(jié)合緊密，阻塞了腐蝕介質(zhì)滲透通道。一般涂層的破壞都是由于腐蝕介質(zhì)沿分子和填料間的界面或樹脂分子間的界面而進行的，鈦納米聚合物涂料用化學(xué)鍵合與化學(xué)吸附阻塞了這些通道，因此更耐腐蝕。

　　第二，微小的鈦納米聚合物粒子具有填充空穴的作用，由于鈦納米聚合物根本不溶于水，水、氧和其它離子不能透過顆粒本身，只能繞道滲透，延長了滲透路線，大大減緩了腐蝕速度。鈦納米聚合物比表面積很大又有化學(xué)作用，所以加入少量就能起到顯著的抗?jié)B效果。

　　第三，鈦納米聚合物有憎水性，阻止水、氧及其它腐蝕介質(zhì)的取代作用，使其不易發(fā)生腐蝕反應(yīng)。通常的極性介質(zhì)和離子很難通過涂膜。其高抗?jié)B透性，可抗汞的滲透。所以耐腐蝕性好。

　　3)附著力強

　　第一，如前所述，鈦納米聚合物增加了活性羥基、醚鍵的數(shù)量，對涂敷面形成了化學(xué)吸附;第二，所選樹脂固化時體積收縮很小，內(nèi)應(yīng)力不高;

　　第三，樹脂中的醚鍵使分子鏈柔軟便于旋轉(zhuǎn)，可消除內(nèi)應(yīng)力，所以附著力強。鈦納米聚合物涂料對于金屬、混凝土、木材、玻璃、塑料等不同材質(zhì)均有優(yōu)良的附著力。

　　4)耐磨蝕

　　鈦材本來就是耐腐蝕、耐磨材料，超級細化成納米粒子，排列更好，其致密性更強，比粗晶粒子更為耐腐、耐磨。

　　5)抗垢性能好

　　首先，粗糙的表面會增加液體流動的阻力，減小流速，增加近壁流層的厚度，造成更多的結(jié)垢核心，使污垢沉積長大。而鈦納米聚合物涂料由于微小納米粒子的填充作用表面光滑度很高，近壁流層薄，不利于結(jié)垢。其次，鈦納米聚合物與化學(xué)結(jié)構(gòu)形成親油憎水表面，一方面能對污垢粒子整形使其排列整齊，不形成垢質(zhì)分子交錯的硬垢;另一方面排斥污垢粒子，使其不能粘附到涂層表面上，從而達到防垢的目的。

　　2·鈦納米聚合物涂料的應(yīng)用

　　我公司磷酸廠一期磷酸尾氣風機由美國魯濱遜公司制造，風機流量為124680m3/h，轉(zhuǎn)速980r/min，功率為250kW。2005年2月26日投用，運行正常，但到同年12月21日風機葉輪被腐蝕損壞。之后，風機葉輪因為材質(zhì)的原因，頻頻損壞，成為影響磷酸長周期生產(chǎn)的不利因素。

　　在先后試用316L、310S等材料和VS-12耐磨涂料后，于2006年4月開始用鈦納米聚合物涂料對磷酸風機葉輪作防腐蝕耐磨試驗。我公司磷酸廠一期30萬t磷酸尾氣風機葉輪的使用情況見表1所示。

　　表1 富瑞分公司磷酸廠一期30萬t磷酸尾氣風機葉輪的使用情況見

　　鈦納米聚合物涂料雖然耐磨蝕和耐腐蝕，但易脆斷，在運輸和吊裝過程中不能撞擊，在使用清理時也不能敲擊。一旦受到撞擊使涂料層出現(xiàn)裂紋，輕則會在使用中被F－沿裂紋滲透，造成腐蝕，重則當場脫落，失去防護功能。表1中14、16(序號，下同)葉輪就是在運輸和吊裝中損壞局部涂層后，減少了使用壽命。19、20葉輪則是清理不慎，損壞局部涂層后導(dǎo)致使用時間短的情況。

　　此外，為了加強涂料的附著力和強度，可在涂料中增加碳纖維作為骨架，能較好地改善鈦納米聚合物涂料的性能，增加風機葉輪的使用壽命。18、22、25葉輪就是作了這方面的改進，可以看到它們的使用壽命幾乎與原裝904葉輪的相同。21、23、24葉輪使用時，未達到理想運行時間的原因是裝置清理或檢修時，對葉輪作預(yù)防性更換維修，所以使用時間相對較短。

　　通過上述歷時一年多的實踐，證明鈦納米聚合物涂料能滿足磷酸生產(chǎn)。為了更多地降低檢修費用，曾將原316L材質(zhì)的葉輪改為碳鋼/鈦納米聚合物涂料，23的葉輪就是這樣制作的。為了確認鈦納米聚合物涂料的適用性，同時還制作了碳素鋼/玻璃鱗片的葉輪，但兩相比較，還是鈦納米聚合物涂料的使用效果顯著。因此，二期30萬t磷酸裝置的尾氣風機也換成了鈦納米聚合物涂料的葉輪，使用正常。

　　在試制和使用到序號為第26的葉輪時，已在磷酸生產(chǎn)實踐中證明尾氣風機葉輪采用鈦納米聚合物涂料后，運行良好可靠。隨著制作、使用該涂料防護葉輪的水平不斷提升，以及采用變頻器適當降低風機的工作轉(zhuǎn)速后，我公司磷酸廠尾氣風機葉輪的使用壽命大大提高，基本上半年更換一次。如涂裝使用情況良好時，使用時間更長。例如一期30萬t磷酸裝置風機葉輪就從2011年5月9日使用到2012年1月11日，二期30萬t磷酸裝置風機葉輪則從2011年4月8日使用到2011年12月16日，兩套裝置的葉輪均因為裝置檢修才更換，扣除其間的裝置計劃停車清理等時間，實際運行時間各約7個多月，均達5000多小時。

　　目前，我公司磷酸尾氣風機葉輪在316L的基體上涂裝鈦納米聚合物涂料后再投入使用已經(jīng)成為常規(guī)模式，效果良好。

　　3·結(jié)語

　　經(jīng)過我公司和合作單位近年來的探索應(yīng)用和不斷改進，證明鈦納米聚合物涂料是磷酸風機葉輪防腐耐磨的好材料。如該涂料的性能和使用方法還能繼續(xù)改善，使用維護得當，則能更好地延長葉輪的使用壽命，降低檢修費用和生產(chǎn)成本，保障生產(chǎn)能穩(wěn)定地長周期運行。

　　參考文獻:

　　［1］薛峻峰．材料的耐蝕性和適用性手冊［M］．北京:知識產(chǎn)權(quán)出版社，2001．

　　［2］薛峻峰，薛富津．鈦納米聚合物涂料的制備與應(yīng)用［J］．涂料工業(yè)，2004，(12):54-56．